‘물리학은 처음인데요‘ 밑줄 긋기

물리학은 처음인데요 - 수식과 도표 없이 들여다보는 물리학의 세계
마쓰바라 다카히코 지음, 이인호 옮김 / 행성B(행성비) / 2018년 1월

기본 법칙 탐구에는 끝이 없다

모든 일의 근본이라 할 수 있는 기본 법칙 탐구라는 목표에는 끝이 없어 보인다. 물리 법칙이란 소수의 법칙으로 다양한 현상을 설명할 수 있는 것을 가리킨다. 현대 물리학 이전에는 뉴턴 역학의 운동 방정식, 만유인력의 법칙, 맥스웰 방정식 등이 해당하였다.

  이러한 이론의 틀 속에서는 기본 법칙 자체가 성립하는 이유를 설명할 수 없다. 물리학이란 몇몇 기본 법칙을 이용해 그 밖의 다양한 현상이 성립하는 이유를 설명하는 학문이며, 그 기본 법칙 자체는 무조건 성립한다고 가정하기 때문이다.

  기본 법칙인 줄 알았던 것이 훗날 더 기본적인 법칙으로 설명될 때도 있다. 뉴턴 역학을 상대성이론이나 양자역학으로 설명한 것이 대표적인 사례다. 하지만 이는 기존 기본 법칙이 새로운 기본 법칙으로 대체된 것뿐이므로, 결국 기본 법칙 자체가 왜 성립하느냐는 본질적인 의문이 해소되지는 않았다. (277 페이지)

모든 것의 이론에도 의문은 남는다

... 모든 것의 이론[자연계 네 가지 힘을 모두 통합하여 설명하고자 하는 이론]이라는 말에 과도한 기대를 해서는 안 된다. 이를 곧이곧대로 받아들이면 세상 모든 것을 설명하는 이론처럼 보이지만, 이는 모순을 품고 있는 말이다. 왜냐하면 정말 세상 모든 것을 설명할 수 있는 이론이라면, 자기 자신이 옳은 이유도 설명할 수 있어야 하기 때문이다.

  자기 자신이 옳음을 스스로 증명할 수는 없다. 외부에 있는 객관적인 증거가 필요하기 때문이다. 인간에게 빗대면 알기 쉬울 것이다. 한 사람이 자기가 옳다고 주장한다 해도, 증거가 없다면 아무런 의미도 없다. 이처럼 어떤 이론이 옳다는 사실을 그 이론 내에서 증명할 수는 없다. 이는 괴델의 불완전성 정리라고 하는 수학적 사실이다. 

  모든 것의 이론이 불릴 만한 것이 있더라도, 그 이론 안에는 스스로 설명할 수 없는 한 가지 기본 법칙이 있을 것이다. 정말 그런 이론이 있다면 모든 것의 이론이나 마찬가지일 것이다. 하지만 그 기본 법칙이 왜 성립하느냐는 의문은 남는다. 즉 모든 근본적인 의문이 풀리고 더는 탐구할 필요가 없는 완전한 이론은 존재할 수 없다. (279 페이지)

평범한 연구야말로 기대할 만하다

현대는 과거 어떤 시대보다도 과학 발전 속도가 빠르다. 그 중요한 원인으로 과학자 수가 많아진 것을 꼽을 수 있다. 옛날에는 기초 연구를 하는 사람이 매우 적었다. 당장 유용한 성과를 내놓지 못하는 연구는 사회적인 지원을 받기 어려웠기 때문이다. 하지만 현대 사회에서는 과학이 사회 기반을 지탱하는 기술을 낳고 있다는 사실을 누구나 알고 있다. 그 결과 과학자가 하나의 직업으로 인정받게 되었다. 연구자 인구가 늘어나면 그만큼 과학의 발전 속도도 빨라진다. 물론 꼭 작업량에 비례해서 중요한 과학적 성과가 느는 것은 아니다. 우연과 행운에 크게 좌우되기도 한다. 하지만 다양한 생각을 지닌 여러 연구자가 수많은 분야에 종사하다 보니 어디선가 커다란 발견을 할 확률은 커지고 있다.

  수많은 연구자가 다양한 생각에 따라 연구하는 일은 대단히 중요하다. 여러 연구자가 단 하나의 사고방식에 따라 연구해서는 가망이 없다. 물론 연구에는 유행이 있어서, 유망한 연구 결과가 발표된 분야에 사람이 몰리는 경향이 있다. 그 결과 연구가 진전되는 속도도 빨라지므로 좋은 일이기는 하지만, 그렇다고 모든 사람이 한 분야에만 집중되면 막상 그 분야가 벽에 부딪혔을 때 모두가 함께 무너지고 만다.

  유행하는 분야가 있으면 세간의 주목을 끌기 때문에 연구비와 일자리를 구하기 쉽다. 그래서 연구자는 현재 인기 있는 분야를 선택하게 마련이다. 하지만 그런 분야에서는 재능이 넘치고 운 좋은 일부 연구자를 제외한 나머지 사람은 중요한 성과를 내기가 힘들다는 단점도 있다. 대다수 연구자는 그저 자잘하고 진부한 연구 성과만 내게 된다.

  유행하는 분야를 수많은 사람이 연구하는 것도 나쁜 일은 아니지만, 이와 동시에 평범한 분야에도 연구자는 필요하다. 지금 주목받는 분야도 언젠가는 끝이 온다. 미래에 꽃필 분야는 현재 주목받지 않는 평범한 분야다. 그것이 무엇인지는 아무도 모른다. 자연계의 신비를 해명한다는 순수한 호기심이 과학을 지금까지 이끌어 온 것이다. (281~282 페이지)

물리학에 대한 소개서

 

원제가 <눈에 보이는 세계는 환상인가>인 <물리학은 처음인데요>는, 저자의 말에 따르면 "지금까지 물리학을 거의 접해 본 적 없는 문과 출신자 등을 대상으로 한 물리학 입문서다." 그는 "특히 학교 수업 때문에 물리를 꺼리게 된 독자를 위해 이 책을 썼다." 저자가 생각하기에 "그런 사람이 물리를 싫어하게 된 원인은 주로 수식을 이용한 계산 때문이다." 그래서 저자는 이 책에서 "수식과 어려운 도표를 전혀 쓰지 않으며 물리학이 어떤 것인지 오직 글로만 설명"하고 있다. 저자는 이러한 접근방법으로 상당한 성과를 거두고 있다는 생각이 든다. 특히 물리를 왜, 어떤 생각으로 하는지 궁금했던 독자라면 이 책의 첫 부분인 뉴턴 역학 설명 부분에서 매우 유용한 정보를 얻을 수 있을 것 같다. 천상계와 지상계를 통일한 뉴턴의 업적은 진정 근대과학의 시작이라 할 만한 혁명적 일이었다.

이후 물리학자들의 관심이 원자로 향하면서, 원자의 존재를 둘러싼 과학적 논쟁이 시작되었다. 이 책은 그러한 논쟁을 매우 잘 그리고 있다. 자연스럽게, 책의 논의는 원자 속 세상을 다루는 양자역학으로 이어진다. 책의 후반부는 또 하나의 혁명인 아인슈타인의 상대성 이론을 설명한다. 상대성 이론을 설명할 때는 개인적으로 좀 지루하다는 느낌이 들었다. 그림이라도 있었으면 하는 생각도 들었고... 전반적으로, 카를로 로벨리의 <모든 순간의 물리학> 느낌도 좀 난다. 하지만 논의는 훨씬 길고 상세하다.

현대물리학과 그 성과를 설명하는 책은 또 있다. 이종필 교수의 <신의 입자를 찾아서>이다. 제목만 보면 '신의 입자'라는 힉스 보존에 대한 얘기인 것 같지만, 사실 힉스 보존 뿐만 아니라 현대 물리학 전체--양자론 및 상대론, 그리고 그 너머--를 개괄하는 내용이다. <물리학은 처음인데요>와 달리 그림과 수식이 '많이' 나온다. 상반된 접근법이지만 이 책도 매우 좋다. 그림과 수식이 이해를 도울 수도 있는데 굳이 삼가야 할 필요가 있을까. 결국 저자와 독자의 취향 문제일 것 같다.

두 권 모두 장점이 많은 책이며, 물리를 공부하는 고등학생 또는 물리에 관심 있는 일반인이 읽으면 좋을 소개서이다.

<물리학은 처음인데요>의 오타(또는 오류)를 다음에 지적해 놓는다.

- 204 페이지: "빛이 진공 속을 나아가는 속도는 항상 초속 2억 9,979만 2,458km이며 절대 변하지 않는다." km를 m로 바꾸어야 한다. 빛의 속도는 약 초속 30만 km이다. 

- 207 페이지: "전철을 타도 고작해야 초속 수십km일 뿐이다." 여기도 km를 m로 바꿔야 한다.

- 208 페이지: "이에 관해 마이컬슨-몰리 실험이라는 유명할 실험이 있었다." "유명할"을 "유명한"으로 바꿔야 한다. 

- 225 페이지: "이 상자 속에 있는 모든 물체"와 "는 어느 한 방향으로 힘을 받고 있다."사이에 필요 없는 줄바꿈이 있다.

- 231 페이지: "결국, 일반상대성이론은 1916년에 완성되었다." 일반상대성이론은 1915년에 완성되었다.

- 245 페이지: "중력파의 존재뿐만 아니라 강한 중력 현상도 확인함으로써 일반상대성이론이 옳다는 사실을 다시금 증명해 낸 획기적인 발견이었다고 할 수 있다. 이 발견에는 확실하게 노벨상이 수여될 것이다." 2015년 9월에 검출되고 2016년 2월에 발표된 LIGO 실험에 대한 내용이다. 실제로 2017년에 노벨 물리학상이 수여되었다. 노벨상 발표가 2017년 10월 3일이고, 책이 2018년 1월에 발행되었으니, 빠듯하긴 해도 수여 사실을 각주로 넣었으면 더 좋을뻔 했다.

- 254 페이지: "양성자와 중성자는 각각 세 가지 쿼크로 이루어져 있다는 사실이 밝혀졌고,..." "세 가지"가 아니라 "세 개"라고 하는 것이 정확하다. 양성자와 중성자는 두 가지 종류의 쿼크로 이루어져 있다. 양성자는 업 쿼크 2개, 다운 쿼크 1개, 중성자는 업 쿼크 1개, 다운 쿼크 2개이다.

- 270 페이지: "현재 빛으로 볼 수 있는 가장 먼 장소는 우주가 시작된 지 37만 년 후의 우주다. 그 이전의 우주는 빛이 물질에 가로막혀 똑바로 나아갈 수 없으므로 관측할 수 없다. 이는 마치 구름이 껴서 해가 보이지 않는 것과 같아서, 37만 년 전의 우주를 '맑게 갠 우주'라고 한다." "37만 년 전의 우주를"을 "37만 년 후의 우주를"이라고 고치는 것이 맞다. 

- 272 페이지와 273 페이지 사이: "... 그 후에 우주에"와 "서 만들어진..." 사이에 필요 없는 공백이 하나 있다. 프린트된 책에는 안 나오지만 e-book에는 공백이 나온다. 

과학대중화에 앞장서고 있는 물리학자 3인의 책

과학대중화에 앞장서고 있는 물리학자 3인의 책을 모았다. 위의 3권보다 더 있지만, 과학이 무엇이고 과학한다는 것이 무엇인지, 생각과 더불어 지식을 전달하는 책 3권만 일단 모아봤다. 3인 모두 물리학자(특히 이론 물리학자)이다 보니 여기서 '과학'은 거의 '물리', 특히 미시세계를 다루는 '양자역학' 또는 '입자물리학'을 뜻한다. 

김상욱은 요즘 <김상욱의 양자 공부>라는 책을 내며 더욱 활발히 활동 중인데, 나에게 깊이 각인된 책은 역시 위의 <김상욱의 과학 공부>라고 할 수 있다. 읽으면서 그의 재기발랄함이 통통 튀는 것을 느꼈다. 과학 얘기와 더불어 그의 생각과 감상을 풀어내는 글재주가 감탄을 자아낸다. 정말 과학 '에세이'라고 할 수 있겠다. 

이강영의 <불멸의 원자>는 에세이라기보다는 과학지식을 전달하는 책에 가깝다는 느낌이다(그의 개인적 경험과 생각이 녹아있지 않다는 얘기는 아니다). 책은 4부로 이루어져 있는데, 1부는 원자와 원자 속의 핵을 설명하는 얘기로서 이 책의 핵심이라 할 수 있을 것 같다. 2부는 여러 물리학자들의 초상이다. 잘 모르는 물리학자들, 가령 이탈리아인이며 우주선(cosmic ray) 연구의 대가였던 오키알리니 등에 대한 얘기가 특이하다. 저자의 연구분야와 맞닿아 있어서 그런 것 같다. 3부는 다시 미시세계로 돌아와 가속기, 충돌기와 이를 이용한 기본입자들의 발견에 대한 논의를 이어간다. 마지막 4부는 마무리로서 과학에 대한 그의 생각이 좀 더 녹아 있다. <불멸의 원자>는 짐 배것의 <퀀텀스토리>를 잘 보완하는 측면이 있으며, 어떤 내용(가령 가속기 얘기들)은 <퀀텀스토리>보다 더 자세하다.

마지막으로 이종필의 <사이언스 브런치>가 있다. 라디오의 과학 섹션에서 대담으로 나누었던 내용을 정리한 책이다. 2012년 6월에서 2017년 1월까지 다뤘던 42개의 짧은 과학주제 얘기이다. 이름처럼 부담 없이, 옆에 두었다가 시간 날 때 조금씩 읽기에 최고의 책이다. 다루는 주제는 아마 당시 시사에 오르내리는 것들이 선별되었을 텐데 시간이 지나서 읽으니 그런 시의적절함이 있지는 않다. 그래도 다양한 주제들(예를 들면 '핵폭탄의 원리'나 '이세돌과 알파고', '현실이 가상현실이라면?' 등)을 일반인 눈높이에 맞추어 다루고 있어서 얻을 것이 많다. 부담 없이 읽을 과학주제에 대한 책을 찾는 사람에게 주저 없이 추천할 수 있다.

처음부터 우리말로 쓰여진, 우리말 과학책을 읽는다는 것은 또 다른 기쁨이다. 시간 내어 책을 쓴 3인의 물리학자에게 감사하며, 앞으로도 더욱 좋은 우리말 과학책을 많이 읽을 수 있기를 기대한다.

미적분으로 이해할 수 있는 것들..

미적분으로 바라본 하루 - 일상 속 어디에나 있는 수학 찾기
오스카 E. 페르난데스 지음, 김수환 옮김 / 프리렉 / 2015년 1월

일단 책을 펴보니 글씨가 커서 놀랐다. 식이 많이 나오니 시원시원하게 여백을 많이 둔 것 같긴 한데, 168페이지의 원서가 272페이지가 됐다. 뭐 여전히 얇긴 하다. 나름 재미있는 주제를 골랐을 터이니 추상적인 미적분을 배우는 학생들이 옆에 놓고 보면 동기부여도 되고 좋을 것 같다는 생각을 처음에 했는데, 읽으면서 한숨이 나왔다. 두 번째 예인 "어떻게 유리 함수가 토마스 에디슨을 좌절하게 했을까" 부분이다(22 페이지 이후). "유리 함수"란 말에서 일단 한 번 멈춤. '유리수인 함수인 모양이군.' 유리수란 어떤 수의 비로 나타낼 수 있는 수이다. "V와 연관된 전선의 길이 l과 반지름 r은 다음과 같은 관계가 있어."란 말 다음에 그 유리 함수가 나온다.

r(V) = k (P0*l)^(0.5)/V

원래 책에는 제곱근 기호로 나오는 것을, 입력이 안 돼 0.5 제곱으로 나타냈다. "V와 연관된 전선의 길이 l과 반지름 r"? 난 이런 걸 그냥 못 넘어 가겠다. 바로 이해가 안 되니까. 이렇게 저렇게 생각하다가 원문을 찾아보니 이렇다: "The radius r and length l of the power line are related to V by" 그리고 식이다. '전선의 반지름 r과 길이 l은 V와 다음과 같은 관계가 있어' 정도로 번역하면 될 것을 왜 이렇게 번역했을까... 원저의 뜬금 없는 식도 마음에 안 든다(왜 그런지 설명은 없다). 결국 얘기하고자 하는 바는 직류로 보내자면 전압이 거리에 따라 너무 빨리 떨어지므로 교류로 보내는 방식이 승리했다는 얘기이다. 이건 그냥 물리이다. "유리 함수"라는 거창한 식으로 시작해서 나오는 건 별로 없다. 개인적인 생각이다. 

그 다음 주제인 "공기 중에 숨어 있는 로그"(32페이지 이후)에서는 라디오 얘기를 하면서 "91.7 FM", "90.9 FM"이라는 말이 나온다. 주파수 91.7 메가헤르츠를 얘기할 텐데 왜 91.7 FM이라고 하나 이상해서 찾아보니 원서도 "91.7 FM"이라고 한다. '아, 역시 수학자' 이렇게 말할 수밖에 없다. 더 읽다 보면 거리에 따라 FM 신호의 세기(본문에는 "강도"라고 나옴)가 어떻게 줄어드는지를 얘기하는 식이 나오면서 "방사력"이라는 표현이 나온다. "방사력"? 들어본 적이 없는 말이다. '방사하는 힘?' 원서에서는 "radiated power"이다. 복사되는 또는 방출되는 파워, 파워는 일반물리학 책에 '일률'이라고 나온다. 한국물리학회 용어집을 찾아보니 power는 다음과 같이 번역할 수 있다고 나와 있다: (1) 일률, (2) 전력, 동력, (3) 능력, 출력, (4) 거듭제곱, 멱. 일률이 너무 낯설면 '출력' 정도가 좋을 것 같다. 여기서부터 이 책을 읽기가 싫어졌다. 훑어보면 나오는 예는 거의 물리이다. 뭐 결국 수학(미적분학)을 이용하여 세상을 설명하는 물리 찬가 같은 느낌? 시니컬한 리뷰는 이만...

일본제국의 패망사 요약

파국으로 향하는 일본 ㅣ 전쟁으로 보는 국제정치 정치 5
이성주 지음 / 생각비행 / 2017년 12월

일을 시작하기도 어렵지만 끝내기도 어렵다. 어쩌면 잘 끝내기란 잘 시작하기 보다 훨씬 더 어렵다고 볼 수 있다. 인생도 그렇다. 대개 잘 끝내지 못하는 경우를 보면 과거의 영화에 매달려 현실 직시를 못하는 경우가 대부분이다. 그렇기에 충분히 선수생활을 더 할 수도 있었던 이승엽 선수의 은퇴에 다들 아쉬워하면서도 좋은 평가를 내리는 것이다.

1944년 7월 사이판 함락 후 일본제국도 비슷한 처지였다. 일본의 지휘부가 보기에도 전쟁을 이길 승산은 사라졌고 이제 어떻게 전쟁을 끝내는지만 남았다. 하지만 그런 상황에서도 일본 지휘부는 냉정한 판단을 내리지 못하고 가능성 없는 희망에 매달렸다. 소련의 중재로 강화하는 방안이 그것이다. 지금 보면 도대체 이해가 가지 않는 생각이다. 이 책은 왜 일본 지휘부가 그런 생각에 매달리게 되었는지 그 이면과, 종전에 이르기까지의 국제 정세와 일본 정치 상황을 잘 설명해 주고 있다. 특히 사이판 함락의 의미에 대해 이전까지 많이 알려진 B-29 폭격기지로서의 역할에 더해 잠수함 전진기지로서의 역할을 부각시켜 주어 매우 반가웠다.

이길 가망이 없었던 전쟁을 끝내지 못하고 질질 끈 결과 일본 국민의 희생은 더 커졌으며, 결국 소련의 참전과 원폭 2발이라는 상황을 맞고서야 일본제국은 항복할 수 있었다. 소련 참전 이전에 전쟁이 끝나지 않았기 때문에 결국 한반도는 분단되었다. 책을 읽으면서 냉정한 계산이 주도하는 국제정치를 다시금 실감한다. 역사란 과거를 다시금 곱씹으며 오늘의 상황을 돌아보게 한다. 현재 우리가 처한 엄혹한 국제정치적 상황을 보며, 부디 이 모든 상황이 냉정하게 관리되기 바란다. 우리도 모두 깨어 있자.

2017년의 마지막 날이다. 어떻게 끝내는지가 중요하다는 점을 얘기하기에 적절한 날이랄까... 메멘토 모리memento mori--죽음을 기억하라-- 이것이 매년 오는 마지막 날의 또 다른 의미라고 얘기해도 좋을 것 같다. 매년 새해를 시작할 때는 1년이 언제 가나 싶지만 일 년의 마지막 날은 어느새--마치 '자객'과 같이--다가온다. 5년 전 오늘을 기억한다. 다음의 영화를 봤다. 그리고 눈이 왔다. 그 사이 시민은 각성했고, 우리 사회는 조금 전진했다. 하지만 좋든 나쁘든 무슨 일에서건 언젠가 끝은 다가온다. 우리 부디 좋은 끝을 준비하자. 더 좋은 시작을 위하여. 모두 희망 찬 새해 맞이하시기를...